Конструкция тоннельных обделок

Обделка предназначается для сохранения от разрушения породы, ограничивающей выработку. Даже скальные породы со временем выщелачиваются грунтовыми водами, выветриваются и постепенно разрушаются тем интенсивнее, чем пористее и слабее порода. Защищая поверхность выработки от выветривания, обделка из камня более крепких пород служит облицовкой. Помимо этого, обделка часто является несущей конструкцией. Сыпучие грунты без такой обделки тотчас бы обрушились в выработку. Но и при устойчивых в сухом состоянии связанных грунтах со временем, по мере их размокания, неизбежны те же последствия. Не гарантированы от вывалов из массива также тонкослоистые и трещиноватые скальные породы при значительных размерах выработки, необходимых для движения поездов. Препятствуя обрушению грунта, обделка воспринимает на себя его давление. В зависимости от категории и состояния грунтов, их напластования и обводненности это давление различно по величине и направлению. Соответственно этому различна конструкция и толщина обделки. Обделки старых тоннелей можно свести к двум группам: для грунтов с вертикальным давлением (рис. 193, а) и для грунтов с боковым и вертикальным давлением (рис. 193, б). Те и другие обделки имеют верхний свод, опертый на стены С фундаментами. У обделок второй группы, т. е. при боковом давлении, фундаменты стен расперты обратным сводом. Он Назван так потому, что в отличие от верхнего обращен выпукло-

а—для грунтов с вертикальным давлением; б — для грунтов с боковым и вертикальным давлением; в — сборная железобетонная обделка; г — тюбинги;

1 — наружное очертание обделки при слабом давлении породы; 2 — то же. при большом давлении; 3—водоотводный лоток; 4—обратный свод

стью в обратную сторону, не вверх, а вниз, хотя, как и первый, к породе.

Порода удерживает от выпучивания обратный свод при сжатии его фундаментами под действием бокового давления. И, наоборот, выпиранию грунта снизу препятствует этот же свод, упертый в фундаменты стен, нагруженных давлением на них верхнего свода и с боков.

Аналогично и стены, являясь криволинейными, передают боковое давление грунта сводам, упертым в породу. Так, вся обделка при обратном своде является замкнутым кольцом (переменной кривизны), хорошо сопротивляющимся всестороннему давлению на него окружающего грунта. Толщина обделок для различных ожидаемых давлений грунтов изменяется в широких пределах—от 0,4^: до 1,1 м (в замке) для однопутных тоннелей и от 0,5 до 2,1 м для двухпутных.

Наибольшее давление в обделках с обратным сводом и тем более без него — вертикальное. Поэтому фундаменты стен уширены в мере, исключающей недопустимые осадки. Несмотря на это, обделку, как и трубы в насыпях, делят деформационными швами на кольца длиной по 6—10 м. Крайние кольца короче (около 2 м); с наружного конца они сопряжены по верхнему своду и стенам с массивными подпорными стенами — портала-ми (см. рис. 11), удерживающими от обвалов лобовые откосы породы со стороны входов в тоннель.

Помимо старых типов обделки (см. рис. 193, а и б), на дорогах применены и более поздние конструкции обделок. Они отличаются по размерам и конструкции в связи с изменением габарита, улучшением расчета тоннелей и методов их возведения, в частности, с внедрением щитового способа разработки грунтов, монтажом сборных конструкций цилиндрических и подковообразных (рис. 193,б) обделок, в том числе из железобетонных тюбингов (рис. 193, г).

Прежние обделки в основном соответствовали габариту 1-С (см. рис. 23). Особенностью строительства тоннелей до 1930 г. являлось применение габарита без какого-либо уширения обделки на кривом участке. В результате этого тоннели на кривых участках пути, особенно малых радиусов, получились негабаритными, стесненными для пропуска даже габаритных грузов.

В большей мере старые тоннели негабаритны в верхней боковой части. Сильно негабаритные места тоннелей приходится переустраивать особенно при электрификации линий, требующей увеличения габарита именно в верхней части для подвески контактного провода и свободного прохода токоприемника.

С 1.930 г. габарит на кривых участках пути уширяют в зависимости от радиуса кривой и величины возвышения наружного рельса. Возвышением рельса вызывается наклон подвижного состава и дополнительное его отклонение в сторону от оси пути (см. рис. 24).

В последующем были приняты габариты СТ-1 и СТ-2 соответственно для однопутных и двухпутных тоннелей. Они расширены в верхней части, однако, стеснены в нижней. Поэтому в 1947 г. их расширили внизу, а СТ-1, кроме того, повысили с учетом требований электрификации.

С 1960 г. для строительства тоннелей и других сооружений введен единый габарит С (см. рис. 22 и 23).

Обустройства тоннелей

Для нормальной эксплуатации тоннели обустраивают дренажами, вентиляцией, освещением, сигнализацией и убежищами для рабочих.

Серьезный и нередкий дефект — обводненность тоннелей. Она осложняет эксплуатацию и трудно устранима.

Прежде при постройке тоннелей ограничивались тем, что в обделке оставляли дренажные отверстия для выпуска воды из-за обделки внутрь тоннеля, а в самом тоннеле прокладывали водоотводный лоток сбоку пути или под ним, при двух путях — в междупутье (см. рис. 193). Оказалось, что вода просачивалась в различных местах через обделку и швы, а не только через дренажные отверстия, которые засорялись со временем или вовсе не работали. Обводнение в виде мокрых пятен, капежа и непрерывных течей порой увеличивалось, тоннель превращался в дренаж для осушения заобделочного массива в ущерб основному назначению для эксплуатации.

Так, сбор грунтовой воды внутрь тоннеля не оправдал себя.

Теперь строят тоннели с водонепроницаемыми швами между блоками (тюбингами) обделки или с изоляцией наружной ее поверхности, чтобы не допустить воду в тоннель. Распространена битумная изоляция. Но для эксплуатируемых обводненных тоннелей наружная оклейка изоляцией невыполнима, а внутренняя вредна, так как задерживает воду в обделке, способствуя разрушению кладки при замерзании.

Потребовались иные меры осушения, направленные на то, чтобы прекратить или хотя бы ограничить приток воды в тоннели. С этой целью под давлением нагнетают цементный раствор или битум (что более сложно) за обделку сквозь пробуренные в ней отверстия.

Раствор или битум, закупоривая трещины и пустоты в породе, препятствует притоку воды к тоннелю и скоплению ее за обделкой. Замерзание здесь воды нередко приводило к серьезным последствиям, вплоть до выпучивания обделки внутрь тоннеля, вызывая необходимость ее перекладки.

При обильном обводнении дополнительно к нагнетанию за обделку устраивают дренажные штольни параллельно тоннелю на расстоянии 4—9 м в свету от него. Закладывают также поперечные дренажипрорези, заполненные камнем насухо. Их располагают под балластным слоем или с боков за обделкой. Воду из них отводят в продольные штольни, а когда их нет — в тоннельный лоток. В последнее время нашло применение более дешевое, чем штольни, бурение дренажных скважин длиной до 25—30 м, располагаемых в виде шатра или вертикальных завес по сторонам тоннеля (см. рис. 32). Скважины бурят из имеющейся штольни или из специальных поперечных к тоннелю выработок, используемых затем для перепуска воды из скважин в лоток тоннеля.

Всем этим мероприятиям предшествует хорошая планировка надтоннельной поверхности и отвод в сторону от тоннеля атмосферной воды. Но так как тоннель может обводняться не только с водосбора над ним, а и подземными водами из отдаленных районов, то одного упорядочения надтоннельной зоны часто недостаточно и требуются другие указанные меры. Все они трудоемки и дороги, выполняются обычно из тоннеля, что сложно в условиях движения поездов, а главное, не всегда приводят к полному осушению.

Второй сложной проблемой, хотя и более определенной, чем осушение, является вентиляция тоннелей. Недостаток кислорода и скопление в тоннеле окиси углерода, углекислоты, сернистых и других вредных газов, проникающих из породы и выделяемых тепловозами и особенно паровозами, даже в небольших количествах затрудняют работу локомотивных бригад и рабочих, обслуживающих тоннель. Значительная загрязненность воздуха опасна для жизни.

Короткие тоннели, тем более прямые и с односкатным подъемом в сторону действия господствующих ветров легко проветриваются движением воздуха. Такой естественной вентиляции помогают сами поезда. Они, как поршень, выталкивают из тоннеля испорченный воздух, который продолжает двигаться за поездом и уносить из тоннеля газы, оставленные локомотивом. Проветривание улучшается при наличии шахт, некогда служивших для транспортирования грунта и материалов при возведении тоннеля. В таком случае имеющиеся стволы и обустройства шахт надо поддерживать в нормальном состоянии, не загромождать, а также не герметизировать на обоих концах.

Для длинных тоннелей (более 1 км) при паровой и тепловозной тяге естественная вентиляция недостаточна. Требуется устройство искусственной вентиляции. Для этого устанавливают мощные вентиляторы, которыми через шахту или со стороны порталов нагнетают чистый воздух в тоннель. Наряду с такой приточной вентиляцией пользуются вытяжной, при которой загрязненный воздух вытягивается из тоннеля через шахту. Вентиляторы включаются обычно автоматически при проходе каждого поезда на короткое время по установленному режиму их работы. Обслуживание вентиляторов, как и другой приводной установки, удорожает эксплуатацию.

Остальные обустройства тоннелей — укрытия, освещение, сигнализация намного проще по устройству и содержанию. Укрытия выполняют еще при постройке тоннеля, хотя в старых тоннелях их количество недостаточно и дополняется теперь до современных норм. Ниши и камеры белят изнутри и по краям, а на обделку над ними ставят мигающую электролампу, чтобы легче их обнаружить и быстрее укрыться в них при подходе поезда.

О приближении поезда рабочие оповещаются звуковой и световой сигнализацией. Она автоматически включается поездом, предоставляя рабочим возможность своевременно убрать всё с пути в камеры и самим укрыться в нишах. Условием правильной работы такой сигнализации является подача ею сигналов во всех случаях повреждения или перерыва в электропитании.

Эксплуатация тоннелей